173 / 2021-04-13 17:10:07

蠕变疲劳交互作用下的失效机理及寿命设计方法

蠕变疲劳，失效机理，寿命预测，损伤评定

以航空发动机涡轮盘为代表的关键热端部件除了承受装置稳态运行的恒定荷载之外，通常还承受装置起停引起的交变载荷的作用，其服役过程伴随着严重的蠕变-疲劳载荷交互作用，这对部件寿命设计与预测方法提出了新的挑战。然而我国对高温热端部件蠕变-疲劳性能预测的研究起步较晚，尚未构建相对完整的材料体系、理论体系和技术体系，对结构强度与可靠性的预先研究没有更为清晰的认识。针对上述现状，从蠕变疲劳失效机理、寿命预测和工程应用三个层次介绍相关的工作。主要的研究工作与结论如下：

（1）对镍基高温合金GH4169在650 ℃下展开了不同取样位置的微观组织观察试验、宏观蠕变-疲劳试验和断后失效分析试验。，从断口形貌、二次裂纹微观特征和二次裂纹统计分析中可知，拉伸保载的引入导致典型的蠕变-疲劳损伤特征，压缩保载的引入导致氧化-疲劳的损伤特征，拉压共同保载的引入则导致复杂的蠕变-疲劳-氧化交互损伤的特征。

（2）结合线性损伤累积和应变能密度耗散准则，在Takahashi模型的基础上考虑了压缩平均应力的弥复效应，针对不同的失效机理发展了高精度的修正应变能密度耗散法。首先，收集了不同材料在不同温度下的蠕变-疲劳寿命数据点，寿命预测的结果显示所有数据点均落在2倍的误差带以内。此外，在拉压缩共同保载的工况下，在二维蠕变-疲劳损伤交互图中增加了氧化损伤的维度，提出了蠕变-疲劳-氧化损伤交互图，并提出了同时考虑蠕变、疲劳和氧化损伤交互作用的三维包络曲面。

（3）开发了包含修正的统一粘塑性方程、多轴疲劳损伤和多轴蠕变损伤在内的数值计算方法，通过一系列单边缺口蠕变-疲劳试验验证了该数值计算方法的适用性，寿命预测的结果显示所有数据点均落在1.5倍的误差带以内。根据缺口根部区域典型节点的应力-应变行为以及所提出多轴蠕变-疲劳损伤模型的特点，模拟了疲劳损伤主导试样的裂纹萌生位置出现在缺口根部表面，而蠕变损伤主导试样的裂纹萌生位置出现在根部附近的内部区域，所述的模拟结果与相应载荷工况下用电子背散射衍射技术进行的金相观察的结果一致。以航空发动机涡轮盘为代表的关键热端部件除了承受装置稳态运行的恒定荷载之外，通常还承受装置起停引起的交变载荷的作用，其服役过程伴随着严重的蠕变-疲劳载荷交互作用，这对部件寿命设计与预测方法提出了新的挑战。然而我国对高温热端部件蠕变-疲劳性能预测的研究起步较晚，尚未构建相对完整的材料体系、理论体系和技术体系，对结构强度与可靠性的预先研究没有更为清晰的认识。针对上述现状，从蠕变疲劳失效机理、寿命预测和工程应用三个层次介绍相关的工作。主要的研究工作与结论如下：

（1）对镍基高温合金GH4169在650 ℃下展开了不同取样位置的微观组织观察试验、宏观蠕变-疲劳试验和断后失效分析试验。，从断口形貌、二次裂纹微观特征和二次裂纹统计分析中可知，拉伸保载的引入导致典型的蠕变-疲劳损伤特征，压缩保载的引入导致氧化-疲劳的损伤特征，拉压共同保载的引入则导致复杂的蠕变-疲劳-氧化交互损伤的特征。

（2）结合线性损伤累积和应变能密度耗散准则，在Takahashi模型的基础上考虑了压缩平均应力的弥复效应，针对不同的失效机理发展了高精度的修正应变能密度耗散法。首先，收集了不同材料在不同温度下的蠕变-疲劳寿命数据点，寿命预测的结果显示所有数据点均落在2倍的误差带以内。此外，在拉压缩共同保载的工况下，在二维蠕变-疲劳损伤交互图中增加了氧化损伤的维度，提出了蠕变-疲劳-氧化损伤交互图，并提出了同时考虑蠕变、疲劳和氧化损伤交互作用的三维包络曲面。

（3）开发了包含修正的统一粘塑性方程、多轴疲劳损伤和多轴蠕变损伤在内的数值计算方法，通过一系列单边缺口蠕变-疲劳试验验证了该数值计算方法的适用性，寿命预测的结果显示所有数据点均落在1.5倍的误差带以内。根据缺口根部区域典型节点的应力-应变行为以及所提出多轴蠕变-疲劳损伤模型的特点，模拟了疲劳损伤主导试样的裂纹萌生位置出现在缺口根部表面，而蠕变损伤主导试样的裂纹萌生位置出现在根部附近的内部区域，所述的模拟结果与相应载荷工况下用电子背散射衍射技术进行的金相观察的结果一致。以航空发动机涡轮盘为代表的关键热端部件除了承受装置稳态运行的恒定荷载之外，通常还承受装置起停引起的交变载荷的作用，其服役过程伴随着严重的蠕变-疲劳载荷交互作用，这对部件寿命设计与预测方法提出了新的挑战。然而我国对高温热端部件蠕变-疲劳性能预测的研究起步较晚，尚未构建相对完整的材料体系、理论体系和技术体系，对结构强度与可靠性的预先研究没有更为清晰的认识。针对上述现状，从蠕变疲劳失效机理、寿命预测和工程应用三个层次介绍相关的工作。主要的研究工作与结论如下：

（1）对镍基高温合金GH4169在650 ℃下展开了不同取样位置的微观组织观察试验、宏观蠕变-疲劳试验和断后失效分析试验。，从断口形貌、二次裂纹微观特征和二次裂纹统计分析中可知，拉伸保载的引入导致典型的蠕变-疲劳损伤特征，压缩保载的引入导致氧化-疲劳的损伤特征，拉压共同保载的引入则导致复杂的蠕变-疲劳-氧化交互损伤的特征。

（2）结合线性损伤累积和应变能密度耗散准则，在Takahashi模型的基础上考虑了压缩平均应力的弥复效应，针对不同的失效机理发展了高精度的修正应变能密度耗散法。首先，收集了不同材料在不同温度下的蠕变-疲劳寿命数据点，寿命预测的结果显示所有数据点均落在2倍的误差带以内。此外，在拉压缩共同保载的工况下，在二维蠕变-疲劳损伤交互图中增加了氧化损伤的维度，提出了蠕变-疲劳-氧化损伤交互图，并提出了同时考虑蠕变、疲劳和氧化损伤交互作用的三维包络曲面。

（3）开发了包含修正的统一粘塑性方程、多轴疲劳损伤和多轴蠕变损伤在内的数值计算方法，通过一系列单边缺口蠕变-疲劳试验验证了该数值计算方法的适用性，寿命预测的结果显示所有数据点均落在1.5倍的误差带以内。根据缺口根部区域典型节点的应力-应变行为以及所提出多轴蠕变-疲劳损伤模型的特点，模拟了疲劳损伤主导试样的裂纹萌生位置出现在缺口根部表面，而蠕变损伤主导试样的裂纹萌生位置出现在根部附近的内部区域，所述的模拟结果与相应载荷工况下用电子背散射衍射技术进行的金相观察的结果一致。